中阶梯光栅光谱仪的光学设计.docx

文 章 编 号（）中阶梯光栅光谱仪的光学设计 唐 玉 国，宋楠，巴 音 贺 希 格，崔 继 承，陈 今 涌（中国科学院 长 春光学精密机械与物理研究所 ，吉 林 长 春 ；中 国 科 学 院 研 究 生 院 ，北 京 ）摘 要 ：为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率 ，实 现 全 谱 直 读 ，对中阶梯光栅光谱仪进 行 了 研 究 。 简述了中阶梯光栅 及中阶梯光栅光谱仪的基本原理 ，分析并比较了这种光 谱 仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别 。 利用光学成像原理与 消 像差理论设计了 结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统 。 该 光 学 系 统 工 作 在 原子谱线最为密集的 波 长 处 ；为 简 化 计 算 ，在设计中消除了 波长的所有像差 ；光线对中阶梯光栅 在 准 条 件 下 入 射 ，以获得高衍射效率 ；使用折反射棱 镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次 ，在 探 测 器 上 获得了二维光谱面 。 该光学系统有较好的平场特性及 点 对 点 成 像 能 力 ，在整个工作波长分辨率可达到 ， 满 足 设 计 要 求 。 该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作 ，通过替换不同的探测器及增加外围电 路 与 软 件 平 台 ，仪 器的工作性能可进一步提高 。关 键 词 ：中阶梯光栅光谱仪 ；中 阶 梯 光 栅 ；光 学 设 计 ；交 叉 色 散中 图 分 类 号 ：文 献 标 识 码 ： ， ，（，；，）：， ， （）， ， ， ， ， 收 稿 日 期 ：；修 订 日 期 ：基 金 项 目 ：国家自然科学基金资助项目（）；“十 一 五 ”国家科技支撑计划重大项目 （）； 国家创新方法工作专项项目（）；国家重大科研装备研制项目 （）；中 国 科 学 院重大科研装备研制项目（）；吉林省科技发展计划资助项目（、）光 学精 密 工 程第 卷， ：；率 光 谱 研 究提供了有效的手段 。 但 是 ，由 于 其 结构 相 对 复 杂 ，光 学 装 调 难 度 大 ，成 本 高 ，尚 无 法 进 入 商 业 领 域 。 在 民 用 方 面 ，国内对中阶梯光栅光 谱 仪 器 的 研 究 、开 发 和 应 用 相 对 滞 后 。近 几 年 ，中 科院长春光机所 在 中小 型 中 阶 梯光栅光谱仪的研 发和产品化方面 做 了一 些 工 作 。本文就小型化中 阶梯光栅光谱仪 的 光学 系 统 进 行了模拟与性能分 析 ，建立了满足设 计 要 求 的光 学模型 ，为 中 阶 梯 光 栅光谱仪的研制 提 供了 理 论 基 础与设计参考 。引言普 通 闪 耀 光 栅用于光谱仪器时 ，为 了 避 免 级次 重 叠 只 能 使 用 低 衍 射 级 次 （如 级 或 级）。 若 要 实 现 光 谱 仪 器高的色散率和 光 谱分 辨 率 ，就 需 要 采 用 高 刻 线 密 度 闪 耀 光 栅 ，加大成像物镜焦 距 ，但 由 此 会 加 大 仪 器 体 积。 在当今科学仪器 普 遍 向 微 小 化 、便 携 式 和 实 时 测 量 方 向 发 展 的 形 势 下 ，光 谱 仪 器 的 小 型 化 、高 分 辨 率 、快 速 测 量 及 信号 接收 方式等是 仪器设计者必须考虑的问题 。中 阶 梯 光 栅 是 由 美 国 光 栅 专 家 于 年 提 出 的 一 种 特 殊 光 栅 ，其 刻 线 密 度 较 低 ，具 有 大 入 射 角 度 和 高 衍 射 级 次 （如 几 十 级 到 几 百 级），因而有很 高的色散率和分辨率 。中 阶 梯 光栅 光谱 仪在结构 方面具有体积小 、质 量 轻 、结 构 简 单 、无 移 动 部 件 ，面 阵 接 收 的 特 点 ；在 性 能 方 面 具 有 高 色 散 、高 分 辨 率 、低 检 出 限 、宽 波 段 、全 波 闪 耀 和 瞬 态 光 谱 的 特 点 ；有利 于实现高度智能 化 和 自 动 化，代 表 了 先 进 光 谱 技 术 的 发 展 趋 势 。中 阶 梯 光 栅 光 谱 仪 在 世 纪 年 代 开 始 在 天 文 领 域 率 先 得 到 应 用 。到 年 代 ，随 着 光 栅 刻 划 技 术 的 发 展 ，世 界 上 许 多 级 天 文 望 远 镜 都 配备 了中阶梯光栅 光 谱 仪 ；至 世 纪 末 ，全 世 界 已 有 架 配 备 了 高 分 辨 率 中 阶 梯 光 栅 光 谱 仪 的 级 光 学红 外 天 文 望 远 镜 投 入 使 用 。除 天 文 应 用 之 外 ，从 年 代 开 始 ，随 着 二 维 阵 列 探 测 器 技 术 ，尤 其 是 技 术 的 发 展 ，欧 美 发 达 国 家 开 始 将中阶梯光栅光 谱 仪 应用于 天文 、 地 矿 、化 工 、冶 金 、医 药 、环 保 、农 业 、食 品 卫 生 、生 化 、商 检 和 国 防 等 诸 多 领 域。我 国 于年 研 制 成 功 了 望 远 镜 折 轴 阶 梯 分 光 仪 ，该 仪 器 是 我 国 首 次 研 制 的 大 型 中 阶 梯 光 栅 光 谱 仪 器 ，配备于 北京天文台兴隆 观 测 基 地 望 远 镜 ，为 我 国 天 文 界 开 展 高 分 辨中阶梯光栅光谱仪工作原理 中 阶 梯 光 栅 光 谱 仪 的 光 学 系 统 结 构 如 图 所示 。它 由 入 射 针 孔 、准 直 镜 、中 阶 梯 光 栅 、反 射 棱 镜 、聚 焦 镜 和 面 阵 组 成 ，光 学 系 统 采 用 （）结 构 形 式 ，是最广泛应用的单 色 器 结 构 形 式 之 一 。 该 结 构 简 单 紧 凑 ，无 移 动 部 件 ，光 学 器 件 少 ，入 射 光 和 出 射 光 夹 角 为 定 值 ，有 利 于 后 端 调 试 和 标 定 ，并且通过调整各部件的相 对 位 置 ，可以有效控制像 差 及获得二维 平像场 。 结 构 有 型 和 型 （交 叉 束 ）两 种 形 式 。 交 叉 束结构有利于缩小仪 器 体 积 ，降 低 杂 散 光 ，但 是 ，在消除像差方 面 不 如 型 结 构 有 利，因 此 ，图 中阶梯光栅光谱仪基本结构 唐 玉 国 ，等 ：中阶梯光栅光 谱 仪的光学设计 第 期本 文 选 择 了 型 结 构 形 式 。由光 源经针孔 和准直镜得到的平行光束入射 到 中 阶 梯 光 栅 上 进行主方向色散 ；由 于 采 用 了 高 衍 射 级 次 的 中 阶 梯 光 栅 ，其 衍 射 谱 存 在 严 重 的 级 次 重 叠 ，因 此 需 要 用 一 低 色 散 元 件 （棱 镜 或 平 面 光 栅）将 重 叠 在 一 起 的 各 级 次 光 谱 分 离 开 来 ，即 进 行 交 叉 色 散 （相 对 于 中 阶 梯 光 栅 的 色 散 方 向 或 被 称 为 横 向 色 散 ），使 入射单束光分解 为 二维 光 谱 ，按波 长 与 级 次 的 顺 序 由 聚 焦 镜 聚 焦 在 平 面 上 。由 于 面 阵 的 像 素 数 远 大 于 线 阵 的 像 素 数 ，因 此 ，中阶梯光 栅光谱仪可以在一次曝光中获 得 很 宽 波 段 的 光 谱 信 号 。，因 此 ，将 设 计 参 考 波 长 选 择 为，将 其 代 入 公 式 （）得 到 相 应 的 衍 射 级 次 为 。综 上 ，根 据 公 式 （）能 计 算 得到不同波长所对 应的中阶梯光栅 的 衍射 级 次。图 棱 镜 色 散光学系统的设计 研 制 的 中 阶梯光栅光谱仪 采 用 中阶梯 光 栅棱 镜 交 叉 色 散 系 统 ，工 作 波 长 为 ，中 阶 梯 光 栅 刻 线 密 度 为 ，分 辨 率 为。中阶 梯光栅光 谱仪的主要色散元件是中阶梯 光 栅 和 色 散 棱 镜 ，可 实 现 两 个 相 互 垂 直 垂 直 方 向 的 色 散 ，同 时 使 用 曲 率 半 径 相 同 的 离 轴 抛 物 镜 作 为 准 直 镜 和 成 像 物 镜 ，使各 波段的光谱成像 在 面阵 上 。交 叉 色 散 元 件由 中 阶 梯 光 栅 进 行 主 方 向 的 色 散 之 后 ，为 将 重 叠 在 一 起 的 级 次 分 开 ，需要由横向色散元件进 行 与 主 方 向 垂 直 的 交 叉 色 散 ，交叉色散元件选用 棱 镜 。以 表 示 棱 镜 的 波 长 分 辨 能 力 ，则 有 ：（）（）（） 中 阶 梯 光 栅 中 心 波 长 和 闪 耀 级 次 的 确 定将经 过中阶梯 光栅刻槽断面上一点的刻槽斜 面 与 光 栅 决 定 的平面定义为中 阶 梯 光栅的 法面 。 若 入 射 光 位 于 法 面 内 ，则衍 射 光也位于法面内 。 此 时 若 光 以 闪 耀 角 入 射 ，则 衍 射 角 等 于 入 射 角 ，即光 栅 工 作 于 条 件 下 时 ，光 栅 效 率 最 高 。但 严 格 的 条件 将使 光 路难以合理安排 ，因 此 在 实 际 应 用 中 ，常使入 射光与光栅法面 有 一 不 为 的 夹 角 ，而入射光在法面 上 的 投 影 为 闪 耀 角 ，可 称 为“准 条 件”。准 条 件 仍 然 可 以 达 到 最 高 的 效 率 ，并 且 有 利 于 安 排 光 路。在 准 条 件 下 的 光 栅 方 程 为 由 图 可 知 ： 即 ： ，所 以 得 ：（）其 中 ，为 色 散 棱 镜 底 边 之 长 ，为了提高棱镜的分 辨 率 ，选 择 内 反 射 式 的 利 脱 尔 棱 镜 ，如 图 所 示 。棱 镜 的 材 料 是 石 英 玻 璃 ，这是一种具有光学晶轴 的 材 料 ，这 种 棱 镜 结 构 形式对光学晶轴的定向要 求比传统三棱镜 要 低 ，这 是因 为在装校仪器时 ，可 以校正部分光学 晶 轴的 误 差 。由 折 反 射 定 律 ，可得到梯形反射棱 镜 色 散 公 式 ：（） ，（）其 中 ，为 入 射 角 ， 为 光 栅 常 数 ，本 项 目 所 选 择 的中 阶 梯 光 栅 的 刻 线 密 度 是 ，故 光 栅 常 数 为 ； 为 光 栅 衍 射 角 ，所 选 中 阶 梯 光 栅 的 闪 耀 角 为 ； 为 衍 射 级 次 ；为 波 长 。由 于 中 阶 梯 光 栅 光 谱 仪 的 工 作 波 段 选 为 （） （）， （）光 学精 密 工 程第 卷 ，（） 对 中 阶 梯 光 栅 ，可以利用球面光栅 的 聚 焦 方程 ： ，（） 令 即 可。光 学 系 统 设 计 结 果通 过 上 述 分 析 及 计 算 ，设 计 了 中 阶 梯 光 栅 光谱 仪 ，其 光 学 设 计 参 数 如 下 ：中 阶 梯 光 栅 常 数 ： ；光 栅 入 射 角 ：光 栅 转 角 ：棱 镜 入 射 角 ：棱 镜 半 顶 角 ：。准 直 镜 和 聚 焦 镜 焦 距 ： 图 利 脱 尔 棱 镜 其 中 ，为 光 线 入 射 棱 镜 的 角 度 ， 为 棱 镜 出 射 光线 的 角 度 为 棱 镜 的 顶 角 。入射 光经过两 个方向的交叉色散之后即可形 成 二 维 光 谱 ，由 聚 焦 物 镜 聚 焦 在 出 缝 的 面 阵 上 。由 于 进 行 了两个方向的色散 ，整 个 系 统 的 光 路 并 不 在 同 一 平 面 上 ，因此 各元件在仪器高 度 方向 为 错 层 分 布。消 像 差 设 计中 阶 梯 光 栅 光 谱 仪 采 用 结 构 形 式 ，其 中 准 直 镜 和 聚 焦 镜 为 反 射 镜 ，为 了 减 小 彗 差 的 影 响 ， 它 们 采 用 相 同 的 光 学 结 构 ，即 具 有 相 同 的 曲 率 半 径 。在反 射镜的选 取上采用离轴抛物镜的结构形 式 ，这 是 因 为 对 于 两 个 反 射 镜 如 果 选 用 球 面 镜 时 ，球 差 恒 存 在 ，同 时 使 用 时 会 造 成 球 差 相 加 ，而 用 抛 物镜 代替 球面镜可 以消除球差的影响 。彗 差 是 非 对 称 像 差 ，它 影 响 系 统 的 分 辨 率 ，为了减小彗差对 于光 谱仪 分辨率的 影响可采用等光程消彗差的方 法 ， 给 出 了 结构光学系统的消彗差 公 式 ：图 光 学 系 统 对 级 光 线 的 追 迹 光 学 系 统 结 构 如 图 所 示 。其 中 参 考 波 长 和 边 缘 波 长 ， 处 的 点 列 图 如 图 所 示 ，从图中可以看出在参考 波长位置和边缘 波 长位 置 处 系 统像差校正较好 。 为 了 计 算 系 统 的 分 辨 率 ，对 ， 及 其 附 近 的 谱 线 进 行 光 线 追 迹 ，得 到 点 列 图 ，如 图 所 示 。利 用 公 式 计 算 相 对 应 的 分 辨 率 ， （ ），（） 式 中为 离 轴 角 ， 为子午面曲率 半 径 ， 为 弧 矢面 曲 率 半 径 （下 角 标 ， 分 别 对 应 准 直 镜 和 聚 焦镜）。对于 准直镜和 聚焦镜的消像散 ，可 使 用 式 （）来 计 算 ：，（）所 得 理 论 分 辨 率 数 值 如 表 所 示 。 ，（） 唐 玉 国 ，等 ：中阶梯光栅光 谱 仪的光学设计 第 期入 射 针 孔 直 径 ，由 此 产 生的弊端是到达探测器的 光 能 变 弱 ，检 测 能 力 下 降 ，因 此 ，通 常 光 谱 仪 必 须 在 能 量 输 出 和 分 辨 率 之 间 折 中 ，不能同时获得最 佳 。然 而 ，中阶梯光 栅 由 于色 散率和分辨率高 ，即 使 入 射 针 孔 较 大 时 ，也有较强的光能输出和较高 的 检 测 能 力 。在 本 仪 器 中 初 步 选 用 针 孔 ， 经 前 面 公 式 计 算 其 对 ， 和 波 长 光 谱 引 起 的 谱线宽度变化分别约为 ，可 以 忽 略 不 计 ，不 影 响 系 统 的 分 辨 率 。实 验 结 果目 前 中 阶 梯 光 栅 光 谱 仪 原 理 样 机 已 装 配 完成 ，图 为 初 步 拍 摄 的 汞 灯 谱 图 ，图中所标出的为 汞 灯 的 绿 色 特 征 谱 线 （）。 为 使 光 谱 仪能 够 满 足 实 际 应 用 的 需 要 ，还需要进一步完善后 端电路及软件支撑 。图 参考波长与边缘波长点列图 表 光学系统的理论分辨率 级 次波 长理 论 分 辨 率考 虑 到 各 种 可 能 影 响 分 辨 率 的 因 素 ，可 以 看出 系 统 分 辨 率 的 数 值 是 能 够 满 足 设 计 指 标 要 求 的 。入 射 狭 缝 对 于 分 辨 率 的 影 响入 射 针 孔 直 径 会 影 响 所 测 得 谱 线 宽 度 ，从 而 影 响 光 谱 仪 的 分 辨 率 。 设 入 射 针 孔 直 径 为，针 孔 上 每 一 点 均 可 看 作 发 光 点 ，可 得 主 截 面 上 光 束 入 射 的 角 宽 度 ：图 初步测试中拍摄的汞灯光谱图 ，结论（）将 式（）两 端 对求 导 ，由 上 式 可 计 算 出 入 射 针 孔直 径 所 引 起 的 谱 线 宽 度 变 化 量 ：本 文 在 理 论 计 算 及 分 析 的 基 础 上 设 计 了 中阶 梯 光 栅 光 谱 仪 的 光 学 系 统 ，并对其设计结果进 行 了 分 析 。初 步实验验证表明 ，该光谱仪可实现 对 波 段 光 谱 的 一 次 读 取 ，系 统 在 整 个 工 作波长内分辨率可以达到 ，满 足预期指标要求 ，同 时 整 体结 构尺寸简单紧凑 ，便 于 实 现 安 装 调 整 ，为 今 后中阶梯光栅光谱仪的设 计工作奠定了坚 实 的基 础 。该 种结构类型的光谱 仪 ，充分发挥了中 阶 梯 光 栅的 优势 ，符 合 光 谱 仪 器 ，（）由 针 孔 进 入 光 学 系 统 的 光 通 量 ：（） ，（）式 中 为 准 直 镜 的 直 径 ， 为 针 孔 面 积 ， 为 入射 光 源 亮 度。普通 平面光栅 光谱仪想提高分辨率需要减小 光 学精 密 工 程第 卷发 展 趋 势 ，随 着 其 设 计 技 术 的 进 一 步 成 熟 会 有 广阔 的 应 用 前 景 。， ，（）：（）杨 德 才 中 阶梯光栅及其应用 现 代 科 学 仪 器 ，（）： ，（）：（） ， ， ，（）：参 考 文 献 ： ， ， ，（）： ， ，：，：李 娜 娜 ，安 志 勇 ，崔 继 承 中阶梯光栅光谱仪光学系 统的安装及检测 光 学 精 密 工 程 ，（）， ， ，（），（ ）武 旭 华 ，朱 永 田 ，王 磊 高分辨率阶梯光栅光谱仪的 光 学 设 计 光 学 精 密 工 程 ，（）： ， ， ，（）：（） ， ， ，（）：赵 复 垣 刻 划 阶 梯光栅的原理和应用特性 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ，（）， ，（），（）谢 品 ，倪 争 技 ，黄 元 申 ，等 中阶梯光栅的应用研究 进 展 激 光 杂 志 ，（）： ， ，：胡 中 文 广 义 光 栅 方 程与光栅密度测试 及 二 维 全 谱 仪 的 研 制 合 肥 ：中国科学技术大 学 ， ， ： （ ）杨 晓 冬 ，李 正 灯 光栅光谱仪入射与出射狭缝宽度 对 测 量 谱线线宽影响研究 嘉 应 学 院 学 报 ，（）： ， （），（）：（）作 者 简 介 ：唐 玉 国 （），男 ，吉 林 蛟 河 人 ，理 学博 士 ，研 究 员 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 光 谱 仪 器 及 医 用 光 谱 技 术 的 研 究 。 ：宋楠 （ ），男 ，吉 林 人 ，硕 士 研究 生 ，主要从事光谱仪器光机结构设计 的 研 究 。：唐 玉 国 ，等